[論文レビュー] Bose Einstein Condensation as Dark Energy and Dark Matter

Masako Nishiyama, Masa-aki Morita+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2004

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、軽いボソン場の非相対論的ボーズ＝アインシュタイン凝縮（BEC）としてのダークマターと、凝縮相の負の圧力に起因するダークエネルギーを統一的に扱う宇宙論的モデルを提案する。凝縮相の緩やかな沈殿と、その後の急速な重力的崩壊によるコンパクトな天体（原始ブラックホールやボソン星など）の形成というサイクルが、ダークエネルギー対ダークマター比を1に近づける自己調整機構を提供し、外部からのバイアスなしに初期銀河形成を自然に説明する。

ABSTRACT

We study a cosmological model in which the boson dark matter gradually condensates into dark energy. Negative pressure associated with the condensate yields the accelerated expansion of the Universe and the rapid collapse of the smallest scale fluctuations into many black holes, which become the seeds of the first galaxies. The cycle of gradual sedimentation and rapid collapse of condensate repeats many times and self-regularizes the ratio of dark energy and dark matter to be order one.

研究の動機と目的

• 初期銀河形成とz≈20における再電離の問題を抱える標準的ΛCDMモデルの矛盾を、自己組織化機構を導入することで解消すること。
• 軽いボソン場のボーズ＝アインシュタイン凝縮（BEC）に基づく単一の枠組み内でダークエネルギーとダークマターを統一すること。
• ダークエネルギーとダークマター密度の観測的同数量級の一致を、動的で周期的なプロセスによって説明すること。
• 外部のバイアスや外部のトリガーを必要としない、銀河の種の形成を下からのメカニズムとして提供すること。
• 特に負の圧力と重力的崩壊が初期構造形成に果たす役割を含め、BECダイナミクスが宇宙論に与える妥当性を検討すること。

提案手法

• 熱的ド・ブロイ波長が粒子間隔を上回った際に、非相対論的で弱い相互作用を示すボーズガスとしてのダークマターをモデル化し、BECに転移する。
• BECのマクロな波動関数を、体積に依存しない負の圧力として特定し、これが宇宙定数に類似した役割を果たすダークエネルギーの源であると特定する。
• 引力的相互作用（g < 0）を含むグロス＝ピタエフゾフ方程式を用い、凝縮相の流体力学的挙動、特に負の圧力と重力的崩壊を記述する。
• 凝縮相がブラックホールやボソン星などのコンパクト天体へと崩壊する臨界質量閾値（M_critical ≈ M⊕、m ≈ 10⁻⁵ eV）を導入する。
• 重力的エネルギーの放出に伴い系が加熱され、T ≈ mに達すると凝縮相が熱ガスに解ける非平衡的で散乱的なプロセスとして崩壊をモデル化する。
• 凝縮、崩壊、加熱、再膨張の繰り返しサイクルを予測し、角運動量軸に沿って相対論的で離散的な塊（blob）が噴出され、観測可能なジェットを形成すると想定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軽いボソン場のボーズ＝アインシュタイン凝縮が、自然にダークエネルギーとダークマターを統一し、初期構造形成を説明できるか？
• RQ2 引力的相互作用を有するBECの負の圧力が、加速的宇宙膨張を駆動し、ダークエネルギー対ダークマター比を自己調整的に制御する仕組みは何か？
• RQ3 凝縮相が銀河の種を形成するコンパクトな天体へと重力的崩壊を起こす条件は何か？
• RQ4 凝縮、崩壊、再膨張のサイクルが、ダークエネルギー対ダークマター比を1に近づけるように、宇宙エネルギー予算をどのように自己組織化するか？
• RQ5 崩壊過程における離散的で高速な塊の噴出が、初期銀河に見られる双極ジェットの形成を説明できるか？

主な発見

• BECモデルは負の圧力を生じさせ、加速的宇宙膨張を駆動する。ここで凝縮相がダークエネルギーを、非凝縮ガスがダークマターを担う。
• ボソン質量m < 2 eVの場合、BEC転移は非相対論的時代に発生し、観測されたダークマター密度ρ_now ≈ 9.44×10⁻³⁰ g/cm³を満たす。
• 凝縮相質量がM_critical ≈ M⊕（m ≈ 10⁻⁵ eV）を超えると、原始ブラックホールやボソン星などのコンパクト天体へと崩壊し、初期銀河の種を形成する。
• 崩壊は熱力学的に加熱されない（dV < 0, p < 0）が、重力的エネルギー放出により系がT ≈ mに加熱され、凝縮相が熱ガスに解ける。
• その結果の膨張により再凝縮が起こり、サイクルが再開され、繰り返しバウンスと角運動量軸に沿った離散的で相対論的塊の噴出が発生する。
• このモデルは、z ≈ 20における初期の再電離を自然に説明でき、角運動量軸に沿った非対称な噴出により、銀河中心からの離散的で整列したジェットを予測し、高赤方偏移銀河の観測と整合する。